# 聚类模型性能评估指标

聚类的性能度量大致分为两类：一类是将聚类结果与某个参考模型作为参照进行比较，也就是所谓的**外部指标**；另一类是则是直接度量聚类的性能而不使用参考模型进行比较，也就是**内部指标**。

##外部指标

**外部指标通常使用 Jaccard Coefficient(JC系数)、Fowlkes and Mallows Index(FM指数)以及 Rand index（Rand指数）。**

想要计算上述指标来度量聚类的性能，首先需要计算出$$a$$，$$c$$，$$d$$，$$e$$。假设数据集$$E=\{x_1,x_2,...,x_m\}$$。通过聚类模型给出的簇划分为$$C=\{C_1,C_2,...C_k\}$$，参考模型给出的簇划分为$$D=\{D_1,D_2,...D_s\}$$。$$\lambda$$与$$\lambda^*$$分别表示$$C$$与$$D$$对应的簇标记，则有:

$$
a=|\{(x_i, x_j)|\lambda_i=\lambda_j, \lambda^*_i=\lambda^*_j,i < j\}|
$$

$$
b=|\{(x_i, x_j)|\lambda_i=\lambda_j, \lambda^*_i\neq\lambda^*_j, i < j\}|
$$

$$
c=|\{(x_i, x_j)|\lambda_i\neq\lambda_j, \lambda^*_i=\lambda^*_j, i < j\}|
$$

$$
d=|\{(x_i, x_j)|\lambda_i\neq\lambda_j, \lambda^*_i\neq\lambda^*_j, i < j\}|
$$

举个例子，参考模型给出的簇与聚类模型给出的簇划分如下：

|  编号 |  参考簇 |  聚类簇 |
| ------------ | ------------ | ------------ |
|  1 | 0  | 0  |
|  2 | 0  | 0  |
|  3 | 0  | 1  |
|  4 | 1  | 1  |
|  5 | 1  | 2  |
|  6 | 1  | 2  |

那么满足$$a$$的样本对为$$(1, 2)$$(**因为$$1$$号样本与$$2$$号样本的参考簇都为$$0$$，聚类簇都为$$0$$**)，$$(5, 6)$$(**因为$$5$$号样本与$$6$$号样本的参考簇都为$$1$$，聚类簇都为$$2$$**)。总共有$$2$$个样本对满足$$a$$，因此$$a=2$$。

满足$$b$$的样本对为$$(3, 4)$$(**因为$$3$$号样本与$$4$$号样本的参考簇不同，但聚类簇都为$$1$$**)。总共有$$1$$个样本对满足$$b$$，因此$$b=1$$。

那么满足$$c$$的样本对为$$(1, 3)$$(**因为$$1$$号样本与$$3$$号样本的聚类簇不同，但参考簇都为$$0$$**)，$$(2, 3)$$(**因为$$2$$号样本与$$3$$号样本的聚类簇不同，但参考簇都为$$0$$**)，$$(4, 5)$$(**因为$$4$$号样本与$$5$$号样本的聚类簇不同，但参考簇都为$$1$$**)，$$(4, 6)$$(**因为$$4$$号样本与$$6$$号样本的聚类簇不同，但参考簇都为$$1$$**)。总共有$$4$$个样本对满足$$c$$，因此$$c=4$$。

满足$$d$$的样本对为$$(1, 4)$$(**因为$$1$$号样本与$$4$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(1, 5)$$(**因为$$1$$号样本与$$5$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(1, 6)$$(**因为$$1$$号样本与$$6$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(2, 4)$$(**因为$$2$$号样本与$$4$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(2, 5)$$(**因为$$2$$号样本与$$5$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(2, 6)$$(**因为$$2$$号样本与$$6$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(3, 5)$$(**因为$$3$$号样本与$$5$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)，$$(3, 6)$$(**因为$$3$$号样本与$$6$$号样本的参考簇不同，聚类簇也不同**)。总共有$$8$$个样本对满足$$d$$，因此$$d=8$$。


###JC系数

**JC系数**根据上面所提到的$$a$$，$$b$$，$$c$$来计算，并且值域为$$[0, 1]$$，值越大说明聚类性能越好，公式如下：

$$
JC=\frac{a}{a+b+c}
$$

因此刚刚的例子中，$$JC=\frac{2}{2+1+4}=\frac{2}{7}$$

###FM指数

**FM指数**根据上面所提到的$$a$$，$$b$$，$$c$$来计算，并且值域为$$[0, 1]$$，值越大说明聚类性能越好，公式如下：

$$
FMI=\sqrt{\frac{a}{a+b}*\frac{a}{a+c}}
$$

因此刚刚的例子中，$$FMI=\sqrt{\frac{2}{2+1}*\frac{2}{2+4}}=\sqrt{\frac{4}{18}}$$

###Rand指数

**Rand指数**根据上面所提到的$$a$$和$$d$$来计算，并且值域为$$[0, 1]$$，值越大说明聚类性能越好，假设$$m$$为样本数量，公式如下：

$$
RandI=\frac{2(a+d)}{m(m-1)}
$$

因此刚刚的例子中，$$RandI=\frac{2*(2+8)}{6*(6-1)}=\frac{2}{3}$$。

##内部指标

**内部指标通常使用 Davies-Bouldin Index (DB指数)以及 Dunn Index（Dunn指数）。**

#####DB指数

**DB指数**又称 DBI ，计算公式如下：

$$
DBI=\frac{1}{k}\sum_{i=1}^kmax(\frac{avg(C_i)+avg(C_j)}{d_c(\mu_i,\mu_j)}), i \neq j
$$

公式中的表达式其实很好理解，其中$$k$$代表聚类有多少个簇，$$\mu_i$$代表第$$i$$个簇的中心点，$$avg(C_i)$$代表$$C_i$$第$$i$$个簇中所有数据与第$$i$$个簇的中心点的平均距离。$$d_c(\mu_i, \mu_j)$$代表第$$i$$个簇的中心点与第$$j$$个簇的中心点的距离。

举个例子，现在有$$6$$条西瓜数据$$\{x_1,x_2,...,x_6\}$$，这些数据已经聚类成了$$2$$个簇。

|  编号 | 体积  | 重量  |  簇 |
| ------------ | ------------ | ------------ | ------------ |
|  1 | 3  |  4 |  1 |
|  2 |  6 |  9 |  2 |
|  3 |  2 |  3 |  1 |
|  4 |  3 |  4 |  1 |
|  5 |  7 |  10 |  2 |
|  6 |  8 |  11 |  2 |

从表格可以看出：

$$
k=2
$$

$$
\mu_1=(\frac{(3+2+3)}{3}, \frac{(4+3+4)}{3})=(2.67,3.67)
$$

$$
\mu_2=(\frac{(6+7+8)}{3}, \frac{(9+10+11)}{3})=(7,10)
$$

$$
d_c(\mu_1, \mu_2)=\sqrt{(2.67-7)^2+(3.67-10)^2}=7.67391
$$

$$
avg(C_1)=(\sqrt{(3-2.67)^2+(4-3.67)^2}+\sqrt{(2-2.67)^2+(3-3.67)^2}+\sqrt{(3-2.67)^2+(4-3.67)^2})/3=0.628539
$$

$$
avg(C_2)=(\sqrt{(6-7)^2+(9-10)^2}+\sqrt{(7-7)^2+(10-10)^2}+\sqrt{(8-7)^2+(11-10)^2})/3=0.94281
$$

因此有：

$$
DBI=\frac{1}{k}\sum_{i=1}^kmax(\frac{avg(C_i)+avg(C_j)}{d_c(\mu_i,\mu_j)})=0.204765
$$

**DB指数越小就越就意味着簇内距离越小同时簇间距离越大，也就是说DB指数越小越好。**



###Dunn指数

**Dunn指数**又称DI，计算公式如下：

$$
DI=min_{1\leq i\leq k}\{min_{i\neq j}(\frac{d_min(C_i,C_j)}{max_{1\leq l\leq k}diam(C_l)})\}
$$

公式中的表达式其实很好理解，其中$$k$$代表聚类有多少个簇，$$d_{min}(C_i,C_j)$$代表第$$i$$个簇中的样本与第$$j$$个簇中的样本之间的最短距离，$$diam(C_l)$$代表第$$l$$个簇中相距最远的样本之间的距离。

还是这个例子，现在有 6 条西瓜数据$$\{x_1,x_2,...,x_6\}$$，这些数据已经聚类成了 2 个簇。

|  编号 | 体积  | 重量  |  簇 |
| ------------ | ------------ | ------------ | ------------ |
|  1 | 3  |  4 |  1 |
|  2 |  6 |  9 |  2 |
|  3 |  2 |  3 |  1 |
|  4 |  3 |  4 |  1 |
|  5 |  7 |  10 |  2 |
|  6 |  8 |  11 |  2 |

从表格可以看出：

$$
k=2
$$

$$
d_{min}(C_1,C_2)=\sqrt{(3-6)^2+(4-9)^2}=5.831
$$

$$
diam(C_1)=\sqrt{(3-2)^2+(4-2)^2}=1.414
$$

$$
diam(C_2)=\sqrt{(6-8)^2+(9-11)^2}=2.828
$$

因此有：

$$
DI=min_{1\leq i\leq k}\{min_{i\neq j}(\frac{d_min(C_i,C_j)}{max_{1\leq l\leq k}diam(C_l)})\}=2.061553
$$

**Dunn指数越大意味着簇内距离越小同时簇间距离越大，也就是说Dunn指数越大越好。**